交通运输行业仍然严重依赖化石燃料。多年来，这些化石燃料对全球温室气体排放做出了巨大贡献。内燃机，尤其是压缩点火柴油机，由于其卓越的热效率和可靠性，在重型应用中占据主导地位。然而，这些发动机会产生大量污染物，包括氮氧化物（NOx）、颗粒物（PM）、一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）。这些气体对环境构成威胁。因此，开发既能提高效率又能减少排放的燃烧策略已成为当务之急[1,2]。
先进的低温燃烧（LTC）技术为更清洁的发动机运行提供了有前景的途径。其中，均质充量压缩点火（HCCI）和反应控制压缩点火（RCCI）已被证明可以同时减少NOx和烟尘排放。HCCI燃烧产生均匀预混的混合气，并实现体积点火。因此，通过稀薄、低温燃烧，有可能实现超低水平的NOx和颗粒物排放。然而，HCCI在燃烧相位控制和负荷范围扩展方面面临挑战[3]。RCCI通过使用两种反应性不同的燃料来克服这些限制：一种低反应性燃料与进气混合后，再通过直接喷射高反应性燃料进行点火。最近关于使用替代燃料（包括氢气）的RCCI运行的研究表明，热效率得到提升，烟尘排放显著减少[4]。这种反应性分层技术有助于更好地控制燃烧相位和热释放速率。氢气非常适合用于双燃料发动机中的低反应性燃料应用。作为一种无碳燃料，氢气在燃烧过程中不会产生二氧化碳（CO2）排放。其高层流火焰速度、宽的可燃性范围和优异的扩散性增强了火焰传播和混合均匀性[5,6]。Tomita等人对单缸柴油机进行的研究奠定了氢-柴油双燃料燃烧特性的基础[7]，他们发现氢气的添加提高了制动热效率（BTE），并大幅减少了碳基排放物（包括CO、未燃烃和烟雾不透明度）[8],[9],[10]。然而，氢气的低点火能量和高绝热火焰温度可能导致NOx生成。另一方面，在高负荷条件下，尤其是高度预混的情况下，爆震限制了氢能的比例[11,12]。
关于氢-柴油双燃料燃烧的研究考察了多种运行参数，包括喷射时机、氢能比例（HER）、进气温度和压缩比。将柴油发动机转换为氢-柴油双燃料模式的实验研究表明，增加氢气含量可以提高燃烧效率并减少CO、HC和颗粒物排放，但NOx排放量会增加。NOx的排放趋势呈非线性，这是由于火焰温度上升与混合气稀释效应之间的竞争[10,13]。详细的研究表明，氢气的加入可以缩短燃烧时间，提高热效率，并抑制烟雾生成[14,15]。为了扩大在高爆震限制下的氢能比例并保持LTC优势，人们探索了水喷射和降低压缩比等策略[4]。
尽管在燃烧和排放特性方面进行了大量研究，但对氢-柴油双燃料运行进行全面生命周期环境评估的工作仍然有限。大多数发动机研究仅关注从油箱到车轮的数据。氢的环境影响因其生产方式的不同而有很大差异，Mehmood等人对灰氢、蓝氢和绿氢的不同环境影响进行了全面分析[16]。多项生命周期评估研究表明，氢生产的上游碳强度随电力来源和技术的不同而有显著变化[17,18]。Maniscalco等人对氢生产途径的生命周期评估方法进行了批判性回顾[19]，强调了一致的系统边界和功能单位对于有意义比较的重要性。Silva和Capaz进一步强调了氢生产系统中的碳-水-能源关联[20]。作者们明确了可能影响整体可持续性的关键权衡因素[21]，Obaid等人对氢生产和运输途径进行了比较LCA，展示了不同供应链配置下的环境影响的显著差异[22],[23],[24]。最近关于氢生产和氢基移动性的LCA研究进一步强调，方法选择包括系统边界、功能单位、分配策略、区域电力数据和环境效益数据[25,26]。因此，将实验发动机数据与从油箱到车轮的LCA联系起来，对于量化使用可再生氢气时氢-柴油双燃料燃烧带来的真实环境效益至关重要。
虽然存在关于氢-柴油双燃料RCCI和HCCI燃烧的个别研究，但此前没有研究在广泛的氢能比例（0–90%）范围内系统地比较这两种模式，并将实验发动机数据与基于实际可再生氢生产途径的从油箱到车轮的生命周期评估相结合。本研究通过在RCCI和HCCI模式下对氢-柴油双燃料燃烧进行全面的实验研究来填补这一空白，氢能比例范围从0%到90%，负荷条件包括三种情况。本研究中使用的氢气是通过光伏/热电解产生的，这代表了与近期关于光伏驱动电解系统的LCA研究一致的实际可再生生产途径[22,27]。与以往仅关注燃烧性能或环境评估的研究不同，本研究整合了一个完整的框架，用于评估氢辅助低温燃烧在交通脱碳方面的技术可行性和环境可行性。研究了包括BTE（制动热效率）和燃油消耗率（BSFC）在内的发动机性能，以及NOx（氮氧化物）、CO、HC和烟雾的详细排放测量。根据ISO 14040/14044框架进行的LCA量化了从油箱到车轮的全球变暖潜力和化石能源需求（FED）。
